فصل اول………………………………………………………………………………………………….. 2
1-1 ضرورت انجام پژوهش…………………………………………………………………………………………..2
1-2 روش انجام پژوهش………………………………………………………………………………………………3
1-3 ساختار پایان نامه……………………………………………………………………………………………………3
فصل دوم ……………………………………………………………………………………………………….5
2-1 سابقه علمی………………………………………………………………………………………..5
2-2 روش های اصلاح شبکه مبدل های حرارتی………………………………………………………………….8
2-2-1 اصلاح شبکه بوسیله باز بینی مستقیم ساختمان آن……………………………………………9
2-2-2 اصلاح شبکه بصورت یک طرح جدید………………………………………………………….9
2-2-3 اصلاح شبکه با استفاده از فن آوری پینچ………………………………………………………..9
2-2-4 اصلاح شبکه با استفاده از مدل برنامه نویسی ریاضی……………………………………….9
2-3 فن آوری پینچ………………………………………………………………………………………………………10
2-3-1 نمودار آبشاری…………………………………………………………………………………………10
2-3-2 منحنی ترکیبی………………………………………………………………………………………….11
2-3-3 منحنی ترکیبی جامع (G.C.C)………………………………………………………………….. 12
2-3-نمودار پیازی………………………………………………………………………………………………13
2-3-5 ΔTmin بهینه……………………………………………………………………………………………13
2-4 اصول پینج…………………………………………………………………………………………………………..14
2-5 مسائل آستانه (Threshhold)…………………………………………………………………………………..16
2-6 انتخاب واحد پشتیبانی………………………………………………………………………………………….17
2-7 کوره­ها……………………………………………………………………………………………………………….18
2-8 هدف­گذاری………………………………………………………………………………………………………..20
2-8-1 تعداد مبدل­های حرارتی……………………………………………………………………………20
2-8-2 هدف­گذاری سطح……………………………………………………………………………………23
2-8-3 هدف گذاری تعداد پوسته ها……………………………………………………………………..25
2-8-4 هدف­گذاری هزینه اصلی(Capital Cost)……………………………………………………..27
2-8-5 هدف­گذاری هزینه کلی…………………………………………………………………………… 29
2-8-6 هدف­گذاری بر اساس رابطه هزینه انرژی…………………………………………………..30
2-9 روش های هدف­گذاری…………………………………………………………………………………………33
2-9-1 هدف­گذاری به روش α ثابت…………………………………………………………………….33
2-9-2 هدف­گذاری به روش α افزایشی………………………………………………………………..34
2-10 جمع­بندی…………………………………………………………………………………………………………35
فصل سوم ………………………………………………………………………………………………………………………..37
3-1 مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………37
3-2 حلقه………………………………………………………………………………………………………………….38
3-3 مسیر………………………………………………………………………………………………………………….39
3-4 درجه آزادی………………………………………………………………………………………………………..39
3-5 تقسیم جریان……………………………………………………………………………………………………….41
3-6 نظریه مثبت، منفی………………………………………………………………………………………………..41
3-7 هدف­گذاری انرژی………………………………………………………………………………………………42
3-8 روش تخصیص بار حرارتی جریان خارجی……………………………………………………………44
3-8-1 روش مبتنی بر منحنی تركیبی جامع……………………………………………………………..44
3-8-2 قاعده ارزان­ترین جریان خارجی………………………………………………………………….46
3-9 هدف­گذاری سطح………………………………………………………………………………………………..47
3-10 پارامتر بهینه سازی……………………………………………………………………………………………….48
3-11 نکات و ترفندهای بهینه سازی………………………………………………………………………………49
3-12 بهینه سازی و بررسی حالت عملیاتی شبکه…………………………………………………………….50

3-13 عملكرد بهینه و نگهداری از شبكه مبدل­های حرارتی……………………………………………….51
3-13-1 ضریب انتقال حرارت کلی تمییز………………………………………………………………51
3-13-2 ایجاد رسوب در مبدل حرارتی………………………………………………………………..52
3-14 چه مقدار / اگر………………………………………………………………………………………………….52
3-14-1 رخداد………………………………………………………………………………………………….53
3-14-2 وظایف…………………………………………………………………………………………………53
3-15 طراحی شبکه…………………………………………………………………………………………………….55
3-16 اصلاح و بازبینی شبكه………………………………………………………………………………………..57
3-16-1 تشخیص گلوگاه­ها در شبكه مبدل­های حرارتی……………………………………………57
3-17 جمع­بندی………………………………………………………………………………………………………….59
فصل چهارم ……………………………………………………………………………………………………………………..60
4-1 مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………60
4-2 روش­های ساخت در پالایشگاه………………………………………………………………………………61
4-2-1 جریان کلی مواد در پالایشگاه…………………………………………………………………….63
4-3 ترکیب نفت خام………………………………………………………………………………………………….65
4-4 تقطیر………………………………………………………………………………………………………………….66
04-4-1 کلیاتی در مورد تقطیر……………………………………………………………………………..66
4-4-2 عملیات تقطیر………………………………………………………………………………………….68
4-4-3 شرح تقطیر جزء به جزء…………………………………………………………………………….71
4-5 تقطیر نفت خام……………………………………………………………………………………………………71
4-5-1 ستون تقطیر اتمسفری……………………………………………………………………………….71
4-5-2 ستون تقطیر خلاء………………………………………………………………………………….73
4-6 فرآورده های تقطیر………………………………………………………………………………………………..74
4-6-1 مهم­ترین فرآورده های واحد تقطیر نفت خام………………………………………………….74
4-7 شبیه سازی واحد تقطیر ……………………………………………………………………………………….76
4-7-1 نرم افزار Aspen Engineering……………………………………………………………………..76
4-7-2 معادلات ترمودینامیکی………………………………………………………………………………78
4-7-3 شبیه سازی واحد تقطیر آبادان ……………………………………………………………………78
4-7-4 توزیع ترکیبات مختلف گوگردی در بنزین…………………………………………………..79
4-7-5 محیط شبیه سازی …………………………………………………………………………………….80
4-7-6 نحوه اجرای برج تقطیر……………………………………………………………………………..83
4-7-7 توضیح فرایند تقطیر در خلا………………………………………………………………………85
4-7-8 جمع­بندی……………………………………………………………………………………………….85
فصل پنجم ……………………………………………………………………………………………………………………….86
5-1 مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………87
5-2 شبیه­سازی واحد…………………………………………………………………………………………………..87
5-3 استخراج داده ها از شبیه سازی و هدف گذاری…………………………………………………………….87
5 -3-1 شبیه سازی منابع سرد و گرم خارجی در محیط Aspen HX-NET…………………89
5-4 ترسیم شبکه مبدل های حرارتی……………………………………………………………………………….89
5-5 هدف گذاری………………………………………………………………………………………………………92
5-5-1 تعیین ΔT_MINبهینه………………………………………………………………………………..92
5-5-2 برآوردهزینه سرمایهگذاری……………………………………………………………………..92
5-5-3 فرضیات هدف گذاری…………………………………………………………………………….93
5-6 بررسی نتایج هدف گذاری شده……………………………………………………………………………..94
5-7 اصلاح و بازبینی شبکه…………………………………………………………………………………………96
5-8 راهکار اقتصادی برای شبکه مبدل های حرارتی واحد 80………………………………………….100
5-9 نتیجه گیری…………………………………………………………………………………………………….101
5-10 پیشنهاد ها………………………………………………………………………………………………………..103
مراجع…………………………………………………………………………………………………………………….104
پیوست­ها………………………………………………………………………………………………………………..107
1 فصل اول
1-1 ضرورت انجام پژوهش
با افزایش قیمت حامل های انرژی و بحران انرژی از آغاز دهه ی هفتاد میلادی، همچنین مصرف بالای انرژی در بخش صنعت، صرفه جویی انرژی در صنایع به خصوص صنایع فرآیندی و شیمیایی امری ضروری است. همچنین با توجه به مصرف بالای بنزین و بحث خودکفایی در تولید بنزین توسط پالایشگاه های کشور، پیشرفت و بهینه سازی واحدهای بنزین سازی پالایشگاه های نفت مورد توجه قرار گرفته است. این امر منجر به ابداع روش های مختلفی برای صرفه جویی در مصرف انرژی و همچنین استفاده مجدد از انرژی های تلف شده در یک فرایند گردید. افزایش روز افزون قیمت سوخت, كاهش منابع سوخت فسیلی و لزوم حفظ و نگهداری محیط زیست عواملی هستند كه كه اهمیت بازیافت بهینه انرژی حرارتی و جلوگیری از اتلاف انرژی را در صنایع مختلف, نشان می دهد. امروزه مصرف بهینه انرژی به عنوان یكی از شاخص ها عمده در ارزیابی توسعه یافتگی جوامع, مطرح گردیده است. شدت بالای مصرف انرژی در فرآیندهای شیمیایی، باعث افزایش هزینه های تولید و بهره برداری و نیز كاهش بازده استحصال مواد در محصولات صنعتی می گردد. همچنین با توجه به اهمیت طراحی شبکه ی مبدل های حرارتی به عنوان یکی از بخش های مهم طراحی فرآیندها، شبکه ی مبدل های حرارتی این واحد با دیدگاه انتگراسیون حرارتی بررسی گردیده است. این بررسی با دو رویکرد در قالب اصلاح شبکه ی موجود و طراحی مجدد شبکه انجام گرفته است. در طراحی مجدد شبکه، هدف کمینه کردن سطح انتقال حرارت و یا هزینه ی سالیانه کلی آن واحد می باشد. درحالی که هدف از بازبینی و اصلاح شبکه موجود کمینه کردن دوره بازگشت سرمایه بعد از اعمال تغییرات انجام شده در شبکه می باشد. دو روش رایج در طراحی و اصلاح شبکه ی مبدل های حرارتی روش طراحی پینچ و روش برنامه نویسی ریاضی می باشند .حالت عملیاتی شبکه نیز جهت بررسی کارآیی طرح، هنگام تغییر در شرایط عملیاتی، مورد بررسی قرار می گیرد. کاهش ضریب کلی انتقال حرارت در اثر ایجاد رسوب تغییر در دمای ورودی یا دبی جرمی جریان های فرآیندی از جمله پارامترهای عملیاتی هستند که اثر آنها را در شبکه بررسی میگردد. در این پایان نامه از ترکیب دو روش بهینه سازی ریاضی و روش پینچ، که براساس تحلیل ترمودینامیکی و طراحی کاربردی می باشند، به منظور طراحی مجدد و اصلاح شبکه استفاده شده است.فناوری پینچ همگام با توسعه ی اولیه اش در دانشگاه ها، در فرآیندهای صنعتی نیز به کار گرفته شده است و امروزه از آن به عنوان یک فناوری کامل در مراکز دانشگاهی و صنعتی یاد می شود. تحلیل کارآمد جهت بررسی عملکرد سیستم های انرژی و واحدهای فرآیندی است. با تکیه بر نتایج انجام گرفته بر اساس این تحلیل، نقاط بحرانی فرآیند شناسایی و جهت بهینه سازی انرژی واحد با اصلاح این نقاط بحرانی، حداکثر نتایج مطلوب حاصل خواهد شد.
تحلیل پینچ علاوه بر تعیین مبدل های حرارتی خطاکار، راهکار و شبکه مبدل های حرارتی مناسب را پیشنهاد می دهد. در این بین بهینه سازی انرژی در واحد 80 مورد بررسی قرار گرفته است.
1-2 روش انجام پژوهش:
در پایا ن نامه ابتدا واحد 80 برج تقطیر پالایشگاه آبادان توسط نرم افزار Aspen hysys refinery شبیه سازی می شود و نتایج شبیه سازی با مقادیر واقعی مقایسه می شود. در مرحله بعد نسخه شبیه سازی شده را به نرم افزار Aspen hysys Analyzer V7.2 ( همان نرم افزار HX-NET می باشد) لینک کرده و در محیط این نرم افزار شبکه مبدل های حرارتی ترسیم می شود. با ارزیابی شبکه فوق به کمک فناوری پینچ، امکان اصلاح شبکه بررسی شده و پیشنهاد ها لازم ارائه می شود. روش مورد استفاده در نرم افزار Aspen hysys Analyzer V7.2 تلفیقی از دو روش ریاضی و روش پینچ است. دو روش طراحی پینچ و روش برنامه نویسی ریاضی از پرکاربردترین روش ها جهت اصلاح شبکه موجود می باشند.
1-3 ساختار پایان نامه:
مطالعات و تحلیل های انجام شده در این پژوهش در قالب 5 فصل به شرح زیر ارائه شده است:
در فصل اول پس از مقدمه کوتاهی درباره اهمیت بهینه سازی انرژی واحد 80، روش انجام شده در این مطالعه برای کاهش مصرف انرژی و اصلاح شبکه مبدل های حرارتی این واحد بیان شده است.
در فصل دوم پیشینه روش تحلیل پینچ و تعاریف اولیه با اشاره به تاریخچه انجام مطالعات این تحلیل و به عنوان معیاری برای ارزیابی سیستم های انرژی و تعیین نقاط بحرانی فرآیند بیان شده است.
در فصل سوم روش تحلیل پینچ در انتگراسیون فرایند ها، هدف گذاری ها و اصول و معیارهای روش پینچ در اصلاح شبکه مبدل های حرارتی و بهینه سازی فرایند ها با استفاده از فناوری پینچ بیان شده است.
در فصل چهارم فرآیند تولید نفت خام برای آشنایی بیشتر توضیح داده شده است. در این فصل پس از بیان تاریخچه توسعه این واحد پالایشگاهی، انواع فرآیندهای و مشخصات خوراک و محصول این واحد بیان شده است .
در فصل پنجم نتایج تحلیل های پینچ و سایر مطالعات انجام شده در واحد 80 آبادان آورده شده است و در ادامه فصل، اصلاح شبکه مبدل های حرارتی واحد بیان شده است و در پایان فصل با انجام مطالعات اقتصادی، نتیجه گیری این پژوهش و پیشنهادهایی برای انجام کارها و مطالعات آتی بیان شده است.
2 فصل دوم
2-1 سابقه علمی
در سال 1970 که بحران انرژی آغاز شد مهندسان طراح و صاحبان صنایع بویژه شرکت های صنایع فرایند های شیمیایی به صرفه جویی در مصرف انرژی اندیشیدند که به ابداع روش های گوناگون برای صرفه جویی در مصرف انرژی در طی این سال ها منجر شد. همچنین به موازات آن دریافتند که باید از انرژی هایی که در یک فرایند تلف می شوند نیز دوباره استفاده کنند. (انرژی تلف شده انرژیی می باشد که در یک فرایند تولید می شود ولی دوباره به محیط دور ریخته می شود اگرچه هنوز می توان از ان دوباره استفاده نمود).
کیفیت لازم برای انرژی مقدار نیست بلکه ارزش آن می باشد. این استراتژی که چگونه این انرژی بازیافت شود به دمای آن و مسائل اقتصادی بستگی دارد.در این خصوص شیوه های مختلفی برای استفاده مجدد از این انرژی های هدر رفته در کارخانه ها ارائه گردیده است که به بازیافت حرارتی معروف شده اند.این فعالیت ها تا کنون به ابداع روش های متعددی در طراحی منجر شده است.
اولین روش تجربی با استفاده از قواعد تجربی و طی چند مرحله تکاملی آرایش مناسبی برای شبکه بدست می آید.به عنوان نمونه توصیه می شود که در صورت امکان گرمترین جریان گرم موجود در فرایند انرژی خود را با جریان سردی که دمای نهایی آن از دیگر جریان های سرد بیشتر باشد مبادله نماید.این روش علی رغم سادگی روش قابل اطمینانی محسوب نمی شود ودر یک واحد شیمیایی پیچیده ما را به بهترین طرح ممکن رهنمون نخواهد ساخت.
دومین روش، روش ریاضی، که قدیمیترین روش محسوب می شود ابتدا تمام آرایش های ممکن برای شبکه تبادل گرهای حرارتی تعریف شده و به وسیله ی محاسبات ریاضی پیچیده و زمان گیر بازده واحد در هر حالت ارزیابی می شود و به تدریج گزینه های نامناسب حذف می گردند تا به شبکه منتخب نهایی برسیم. در این روش تعداد گزینه ها و حالات مختلفی که برای هر مسئله می بایست در نظر گرفت بسیار زیاد خواهند بود و در مسئله ای نظیر شبکه تبادل گر های حرارتی یک پالایشگاه به ارقامی بیش از 10¹⁸لحاظ میرسد. بنابرین این مجموعه از ارزیابی ها به یک کامپیوتر بزرگ و صرف زمان زیادی نیاز دارد به همین لحاظ در یک واحد صنعتی با ابعاد و پیچیدگی های یک پالایشگاه استفاده از این روش با محدودیت مواجه خواهد شد [16].
در سال 1965، وا[1]، نظریه ادغام کلیه حالات مختلف شبکه مبدل ها را در یک شبکه کلی به نام ابر ساختار ارائه نمود. روش وی به عنوان ابزاری قوی برای طراحی شبکه مبدل های حرارتی و ترکیب کلی فرایند با استفاده از مبدل های برنامه ریزی ریاضی مورد استفاده قرار گرفت[1].
سومین روش، روش ترمودینامیکی (پینچ)، پیچیدگی غیر ضروری روش دوم را ندارد و در عین حال قابل اعتماد نیز محسوب می شود و تا کنون به موفقیت های بزرگی نائل آمده است. زیرا مهندسین طراح می توانند با استفاده از این روش قبل از طراحی نهایی حداقل گرمایش و سرمایش مورد نیاز فرایند کمترین سطح مورد نیاز برای تبادل حرارت و هزینه ها را محاسبه نموده و تلقی درستی از شبکه بهینه نهایی بدست آورد. در ضمن بدلیل سادگی و سهولت استفاده بر خلاف روش دوم کنترل طراحی در دست طراح می باشد و می تواند در مراحل مختلف تصمیم گیری و انتخاب نماید. این روش متکی بر تجربه و یا آزمون خطا نمی باشد و بوسیله ان طراحی شبکه آسان تر و صرف زمان کمتری انجام می گیرد.